تهیه کننده: محمد ضرغامی

1- هدف

1. استفاده از مواد اولیه کاملا داخلی و احیا معادن منیزیم کشور
2. جلوگیری از خروج ارز جهت خرید آلومینا و منیزیم مورد استفاده در صنایع مختلف
3. کاهش وزن خودرو که منجر به کاهش مصرف سوخت و کاهش آلودگی هوا می­ شود
4. استفاده از مواد و تکنولوژی های جدید در ساخت قطعات
5. استفاده از خواص مثبت منیزیم نسبت به آلومینیم مثل جذب ارتعاش

2- زمینه طرح

مواد اولیه مورد نیاز برای هر صنعت، نقش مهمی در کیفیت، قیمت و قابلیت­ های محصول تولید شده آن صنعت دارد. در سال های اخیر، شرکت های خودروسازی متناسب با مصرف بالای انرژی با افزایش قیمت سوخت و آلودگی محیط زیست، به سمت تولید خودروهای سبک تر حرکت کرده اند. برای تولید خوردوهای سبک تر دو روش در دستور کار قرار گرفته است، روش اول با تغییر طراحی هدف و بهینه سازی سازه های موجود در خودرو پیگیری می شود. در روش دوم مواد جدید به جای مواد مرسوم مانند آهن و آلومینیوم معرفی شده و کاربرد های جدید مورد توسعه قرار می گیرد. در سال های اخیر استفاده از منیزیم به عنوان فلزی که نسبت استحکام به وزن بالایی دارد در شرکت های معتبر خودروسازی در آمریکا، اروپا و شرق آسیا در دستور کار قرار گرفته است. این در حالی است که منیزیم فلز آینده دنیا نامیده می شود و کشورهای اروپایی این فلز را در لیست مواد خام و فلزات استراتژیک اتحادیه اروپا قرار داده اند. منیزیم به دلیل سبک بودن و داشتن خواص مکانیکی و مقاومت حرارتی مناسب، جایگزین فلزات متداول مورد استفاده مانند فولاد، چدن و آلومینیوم به شمار می رود. استفاده از این نوع فلز در صنعت خودرو، سبک تر شدن خودروها و کاهش مصرف سوخت را به دنبال داشته است. در شکل 1 به صورت شماتیک مثال­ هایی از قطعات منیزیمی مختلف در برخی خودروسازی معتبر دنیا نشان داده شده است. برای نمونه شرکت BMW سالی بیش از یک میلیون بلوک سیلندر منیزیمی (شکل 2) تولید و در برخی خودروها استفاده می ­نماید.

در سال های اخیر تقاضای جهانی برای منیزیم به ویژه در صنایع خودروسازی و صنعت تولید آلیاژهای آلومینیومی رشد قابل توجهی داشته است. همچنین گسترش صنایع تولید فولاد و آلومینیوم در کشورهای حاشیه خلیج فارس و استفاده از منیزیم به عنوان عامل گوگردزا در صنایع فولاد افزایش تقاضا برای منیزیم در کشورهای منطقه را به دنبال داشته است.

شکل 1- قطعات منیزیمی خودرو در خودروسازهای مختلف

منیزیم افزون بر سبک بودن و استحکام بالا از ظرفیت جذب انرژی بالایی برخوردار است و به آسانی با فرآیندهای شکل دهی داغ و به اشکال مختلف تبدیل می شود. این فلز در صنایع خودرو، آلیاژساز، هوافضا، دفاعی و تاسیسات پتروشیمی و پالایشگاهی کاربرد بسیاری دارد.

منیزیم به دلیل داشتن خواصی مانند نسبت استحکام به وزن بالا، خاصیت میرایی، ارتعاشات عالی، قابلیت ریخته گری و ماشینکاری خوب یکی ازآلیاژهای مناسب برای صنعت خودروسازی به شمار می رود. از ویژگی های بارز منیزیم قابلیت ریخته­ گری با دیواره ­های نازکتر نسبت به آلومینیوم و پلاستیک می باشد.

شکل 2- بلوک سیلندر منیزیمی موتور N52 شرکت BMW

یکی از اهداف استراتژیک گروه صنعتی ایران خودرو، کاهش وزن خودرو و استفاده از تکنولوژی های جدید می ­باشد. منیزیم به دلیل ویژگی سبکی، می تواند به حفظ محیط زیست کمک کند، زیرا این فلز 35% سبک تر از آلومینیوم است و می توان از آن در صنایع هوایی و خودرو استفاده کرد. این کاهش وزن، کاهش مصرف سوخت را به همراه داشته و در نتیجه آلودگی ناشی از گاز دی اکسید کربن را کاهش می دهد.

یکی از برنامه های اصلی و کلیدی، استفاده و توسعه کاربرد مواد سبک وزن و بحث سبک سازی خودروها می باشد. با توجه به بررسی های انجام شده، هر 10 درصد کاهش وزن خودروها، موجب حدوداً 7% کاهش مصرف سوخت می گردد. از گذشته، تمایل زیادی به کاربرد سبک ترین فلز یعنی منیزیم در مقاصد تجاری و بخصوص در صنعت خودرو بوده است. آلیاژ منیزیم با داشتن نسبت استحکام به وزن و نسبت مدول الاستیک به وزن خوب  انتخاب مناسب برای بکارگیری در سبک­سازی خودروها است. 

آلیاژ منیزیم دارای خواصی است که سبب جایگزینی آن توسط تولیدکنندگان خودرو، نه تنها بجای آلیاژهای سنگین مانند فولاد و چدن و آلیاژهای پایه مس، بلکه حتی بجای آلیاژهای آلومینیوم نیز شده است. منیزیم کاربردهای گوناگونی دارد که می توان به مواردی مانند صنایع خودرو، صنایع نظامی، صنایع هوایی، کاربردهای متالورژیکی، شیمیایی، الکتروشیمیایی و هسته ای و ... اشاره نمود.

تاریخچه مصرف منیزیم در صنایع خودرو بدین شرح است که در سال 1920 در ماشین های مسابقه، قطعات منیزیمی به کار گرفته شد، اما استفاده گسترده و تجاری از قطعات ریختگی منیزیمی در وسایل نقلیه از سال 1936 آغاز شد، یعنی هنگامی که فولکس واگن ساخته شد. این خودرو حاوی 20 کیلوگرم منیزیم بود که در سیستم قوای محرکه آن به کار گرفته شده بود و تا سال 1971 که ماکزیمم تولید آن بود، مصرف منیزیم به 42000 تن در سال رسید. وزن سبک آن به تنهایی مزیت بسیار مهمی است که در تمام قطعاتی که به هنگام ساخت یا استفاده حرکت کرده یا حمل می شوند، می تواند به کار گرفته شود. اینرسی کم که از چگالی پایین منیزیم ناشی می شود، در قطعاتی که با سرعت حرکت می کنند، مفید است. بعلاوه به علت چگالی کم منیزیم، می توان مقاطع قطعات را ضخیم تر کرد که این امر نیاز به تقویت کننده ها را از بین برده و فرآیند ساخت را نیز راحت تر می کند. همچنین علاوه بر کم کردن وزن، خواص ضد ضربه خودرو نیز بهبود می یابد، چرا که این آلیاژها استحکام به وزن بیشتری نسبت به دیگر فلزات دارند. هم اکنون معمول ترین آلیاژهای مورد استفاده درخودرو  AZ91D و  AM60B هستند.

3-خودکفایی منیزیم و آلیاژهای آن

منابع غنی منیزیم در استان های کشور در کنار امکان استفاده از انرژی پاک و ارزان گاز طبیعی و دانش فنی بومی، ایران را به ظرفیتی برای تبدیل شدن به یکی از قطب های تولید منیزیم در جهان مبدل ساخته است.

ظرفیت های ایران در مقایسه با سایر کشورهای تولید کننده فلز منیزیم قابل توجه بوده و امکان توسعه این صنعت را در برخی استان های کشور مانند خراسان شمالی و جنوبی، آذربایجان شرقی و غربی، اصفهان، همدان، کرمانشاه، فارس و کرمان ایجاد کرده است.

مواد اولیه، منابع انرژی، بازار مصرف مطمئن، دسترسی به زیرساخت های حمل و نقل ریلی و ردیایی، وجود نیروی انسانی جوان، ماهر و وجود راهکارهای جلوگیری از آلودگی محیط زیست در راستای توسعه پایدار از جمله مهمترین زیرساخت های مورد نیاز برای تولید منیزیم است. بررسی زیرساختی ایران در این حوزه ها نشان می دهد که کشور ما در هر یک از این موارد برای تولید و بهره برداری از منیزیم ظرفیت مناسب را دارا است.

ایران به دلیل داشتن منابع معدنی، انرژی عظیم و موقعیت ژئوپلیتیکی مناسب در جهان می تواند به عنوان یکی از قطب های مهم صنایع انرژی بر در خاورمیانه و جهان بدل شود. حرکت از خام فروشی به سمت تولید محصولات با ارزش افزوده بالا و صادرات محور باعث وارد شدن ایران به لیست کشورهای تولید کننده محصولات استراتژیکی چون منیزیم و آلیاژهای آن خواهد شد. این مساله علاوه بر ایجاد اشتغال، افزایش تولید ناخالص داخلی و ارزآوری موجب توسعه صنایع پایین دست محصولات منیزیمی خواهد شد.

مواد اولیه و منابع معدنی، منابع انرژی، دانش فنی بومی، نیروی انسانی و هزینه های حمل و نقل همگی از ظرفیت هایی است که در ایران فراهم بوده و می توان در تولید منیزیم از آن ها استفاده کرد.

گسترش روزافزون تولید خودروهای سبک با مصرف انرژی پایین و تمایل به استفاده از منیزیم در صنایع پیشرفته دفاعی، نظامی و هوافضا تقاضای جهانی برای منیزیم را روز به روز افزایش داده است و پیش بینی می شود تا سال 2025 میزان تقاضای این فلز در دنیا به بالای یک میلیون و 200 هزار تن در سال برسد.

از این رو، قرار دادن توسعه صنعت تولید منیزیم در اولویت های صنعتی و معدنی کشور و سیاست گذاری در راستای حمایت از این صنعت با در نظرگرفتن چشم انداز تولید 100 هزار تن منیزیم در ایران این کشور را به دومین تولیدکننده منیزیم در جهان تبدیل خواهد کرد.

این مهم، علاوه بر ایجاد بیش از 30 هزار شغل مستقیم و غیرمستقیم موجب توقف خام فروشی گاز و تبدیل آن به یک محصول با ارزش افزوده بالا، ارزآوری و توسعه صادرات، توسعه صنایع وابسته مانند قطعه سازی، صنایع تولید فروآلیاژها، تولید قطعات پیشرفته برای صنایع دفاعی و هوافضا و همچنین توسعه صنایع تجیهزات پزشکی و غیره خواهد شد.

با توجه به مزیت های حرکت به سوی توسعه صنعت تولید منیزیم به نظر می رسد، سیاست گذاری های حمایتی جهت توسعه این صنعت، ارائه تسهیلات ارزی از محل منابع صندوق توسعه ملی، استفاده از ظرفیت سازمان های دولتی، ترغیب شرکت ها و موسسه های سرمایه گذاری کشور، در نظرگرفتن مشوق های مالیاتی و گمرکی و وضع قوانین و استانداردها باعث قرار گرفتن صنعت تولید منیزیم در اولویت های صنعتی و معدنی کشور خواهد شد.

شایان ذکر است در حال حاضر دو شرکت شمش فلز رویال منیزیم در فردوس با ظرفیت 6000 تن و تیوا تجارت ماهان در اصفهان با ظرفیت 1000 تن در سال در حال تولید انبوه منیزیم (تاج منیزیم) هستند و برای آلیاژسازی نیاز به سرمایه­ گذاری دارند.

4- ارزش افزوده منیزیم در مقابل آلومینیوم

همانطور که اشاره شد معادن بیشتری در ایران غنی از منیزیم بوده و با لحاظ کردن یک مقدار سرمایه­ گذاری اولیه این فلز در مناطق مختلف کشور قابل تولید است. در صورتی­ که ذخیره بوکسیت و تولید آلومینا در کشور پایین بوده و جوابگوی نیاز شرکت های تامین کننده آلومینیوم اولیه نبوده است. لذا حدود 70% آلومینای موردنیاز شرکت های ایرالکو، المهدی و هرمزال از کشورهای چین و هند وارد می ­شود. در جدول پایین میزان مصرف و هزینه مواد موردنیاز جهت تولید یک کیلوگرم آلومینیوم آورده شده است.

جدول1- هزینه های ارزی مواد اولیه جهت تولید یک کیلوگرم آلومینیوم خالص

با توجه به جدول 1 برای تولید یک کیلوگرم آلومینیوم حدود 1.6 دلار هزینه مواد وارداتی بوده که این مبلغ 55% کل هزینه تولید می­ باشد. بطور متوسط در هر سال حدود 50 هزار تن آلومینیوم در گروه صنعتی ایران خودرو و تقریبا همین مقدار در خودروسازهای دیگر کشور مصرف می­ گردد. اگر در نظر بگیریم حدود نصف این مقدار شمش اولیه به صورت مستقیم و یا غیرمستقیم استفاده شود، بیش از 60 میلیون دلار ارز صرف خرید مواد اولیه می­ گردد. در جدول 2 لیست قطعات آلومینیومی که با کمترین ریسک قابلیت جایگزینی با منیزیم را دارند، آورده شده است. با توجه به جدول  با جایگزینی قطعات مذکور از آلومینیوم به منیزیم نه تنها وزن قطعات 35% کاهش وزن خواهند داشت، بلکه باعث کاهش حدود 15 میلیون دلار مصرف ارز جهت واردات آلومینا و سایر مواد اولیه خواهد شد. همچنین با خودکفایی آلیاژهای منیزیم در داخل علاوه  بر رقم فوق بیش از 30 میلیون یورو صرفه­ جویی ارزی در نتیجه ساخت قطعات منیزیمی خواهد بود.

جدول 2- لیست قطعات آلومینیومی دارای قابلیت جایگزینی با منیزیم

5- شرح مختصر فرآیند و رسم نمودار تولید

مراحل یا فرآیندهای اصلی تولید منیزیم به روش سیلیکوترمی (Pidgeon) با استفاده از سنگ معدن دولومیت و فروسیلیس به شرح زیر است. به طور کلی فرآیند به چهار مرحله اصلی زیر تقسیم می شود:

• الف) واحد تکلیس
• ب) واحد آماده سازی
• ج) واحد احیا
• د) واحد ذوب و شمش ریزی

شکل 3- مراحل تولید شمش منیزیم

الف) واحد تکلیس

ابتدا سنگ معدن دولومیت انبار شده در محوطه انبارش تحت شستشو قرار گرفته تا گرد و غبار سطحی آن زدوده شود. سپس سنگ معدن را از طریق باکت الواتور و فیدر شارژ کوره تکلیس می نمایند. کوره تکلیس شامل بخش های پیش گرم، تکلیس و خنک کن می باشد. جهت تامین انرژی لازم در کوره تکلیس از گاز طبیعی بهره گرفته می شود تا حرارتی به میزان 1100 الی 1220 درجه سانتیگراد را در ناحیه تکلیس مواد تامین نماید. در حین تکلیس دولومیت، واکنش شیمیایی اصلی زیر رخ می دهد:

دولومیت خارج شده از کوره تکلیس قبل از ارسال به واحد آماده سازی مواد تا دمای 160 درجه سانتیگراد خنک می شود.

ب) واحد آماده سازی مواد

در این واحد دولومیت، فروسیلیس و کاتالیست (فلورین) ابتدا توزین شده و با نسبت مشخصی تحت عملیات آسیاب و مخلوط سازی قرار می گیرند. مخلوط پودر تهیه شده از طریق خطوط انتقال مواد شامل کانوایر و الواتور شارژ دستگاه بریکت زنی شده و به شکل بریکت در می آیند. بریکت های تکمیل شده در داخل کیسه های مخصوص شارژ و بسته بندی شده و از طریق خطوط انتقال مواد به واحد احیا ارسال می شوند.

ج) واحد احیا

فرآیند احیا در داخل ریتورت های فولادی (فولاد آلیاژی مقاوم به حرارت) که تعداد مشخصی از آنها به صورت دولایه در کوره های اطاقک شکل تعبیه شده اند، انجام می پذیرد. کوره های احیا از گاز طبیعی به عنوان سوخت استفاده کرده و از حرارت گازهای داغ خروجی جهت پیش گرم هوای احتراق بهره گرفته می شود. واکنش احیا در داخل ریتورت ها رخ داده و واکنش شیمیایی اصلی به شرح زیر است:  

واکنش احیا سبب تولید بخار منیزیم شده که در محفظه کندانسور واقع در انتهای ریتورت به صورت کریستال های جامد منیزیم کندانس می شود. کریستال های منیزیم پس از تخلیه به واحد ذوب و ریخته گری انتقال داده می شوند.

همچنین پسماند یا سرباره حاصل از فرآیند احیا از ریتورت ها تخلیه شده و به محل انبارش آن انتقال داده می شود. این پسماند می تواند به عنوان یک ماده افزودنی به سیمان و یا کود شیمیایی مورد استفاده مجدد قرار گیرد.

د) واحد ذوب و ریخته گری

ذوب کریستال های منیزیم در کوره های پاتیلی انجام می شود. این کوره ها دارای یک پاتیل سر بسته (اتمسفر محافظ) می باشند که توسط انرژی حرارتی حاصل از سوخت گاز طبیعی گرم می شوند. مذاب منیزیم از طریق پمپ مخصوص به صورت خودکار به داخل ماشین ریخته گری پیوسته انتقال یافته و در آنجا به صورت شمش ریخته گری و بسته بندی می شوند.

شکل4- فرآیند تولید در روش پیژن